基于大渦模擬-顆粒二階矩的兩相流動(dòng)與反應(yīng)數(shù)值模擬.pdf

1、氣固兩相流的流動(dòng)與反應(yīng)現(xiàn)象普遍存在于能源、化工、電力等領(lǐng)域,一個(gè)典型的工業(yè)應(yīng)用就是流化床反應(yīng)器。流化床以其顆粒摻混性強(qiáng)、操作溫度易控制、燃料適應(yīng)性廣等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用,深入認(rèn)識和研究流化床內(nèi)氣固兩相流動(dòng)與反應(yīng)機(jī)理有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)值模擬方法已經(jīng)在氣固兩相流的預(yù)測與研究中廣泛應(yīng)用。然而,流化床內(nèi)氣相湍流、顆粒碰撞耗散以及氣固相間多向耦合作用等問題增加了模擬的復(fù)雜性。另外,均相反應(yīng)與氣固異相反應(yīng)的同時(shí)存在,反應(yīng)過程的吸

2、放熱溫度變化,使得氣固相間的流動(dòng)與反應(yīng)過程相互影響,對研究模型精度的要求更高。因此,正確合理地構(gòu)建和完善數(shù)學(xué)模型對流化床內(nèi)氣固兩相流動(dòng)與反應(yīng)的研究有重要的指導(dǎo)意義。
　　本文采用大渦模擬方法模擬氣相湍流,推導(dǎo)了考慮氣固相間作用影響的氣相亞格子湍動(dòng)能方程,建立了亞格子湍動(dòng)能模型。顆粒相考慮了顆粒速度脈動(dòng)各向異性,采用顆粒速度脈動(dòng)二階矩模型。對于氣固相間作用,不但考慮了氣固相間作用力影響,而且補(bǔ)充了氣固相間二階脈動(dòng)能量作用的影響,類比

3、Simonin模型,通過氣相亞格子湍動(dòng)能與顆粒相速度脈動(dòng)二階矩之間的脈動(dòng)能量傳遞來封閉氣固相間作用二階模型?？紤]氣相湍流、顆粒相速度脈動(dòng)各向異性及氣固相間的一階與二階相互作用建立了氣相大渦模擬-顆粒相二階矩雙流體模型(LES-SOMModel)。將LES-SOM模型拓展到反應(yīng)領(lǐng)域,補(bǔ)充了組分方程和能量方程,同時(shí)考慮了反應(yīng)過程中氣相與顆粒相質(zhì)量改變對流動(dòng)的影響。將渦耗散概念(EddyDissipationConcept,EDC)反應(yīng)模型思

4、想應(yīng)用于氣相大渦模擬反應(yīng)中,通過比較亞格子過濾尺度與微細(xì)結(jié)構(gòu)尺度的大小關(guān)系,在微細(xì)結(jié)構(gòu)上建立亞格子反應(yīng)模型進(jìn)行封閉。
　　應(yīng)用LES-SOM雙流體模型分別對低質(zhì)量流率和高質(zhì)量流率提升管內(nèi)氣固兩相流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬。與Jiradilok等低質(zhì)量流率情況和Herbert等高質(zhì)量流率情況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合均較好。模擬結(jié)果顯示提升管內(nèi)顆粒濃度中心低邊壁高,顆粒速度中心高邊壁低,呈典型的“環(huán)-核”流動(dòng)結(jié)構(gòu)。氣相亞格子湍動(dòng)能與亞格子能量耗散呈中

5、心高邊壁低的分布趨勢。顆粒速度脈動(dòng)各向異性明顯,顆粒相軸向速度脈動(dòng)二階矩大于徑向速度脈動(dòng)二階矩,分散顆粒的速度脈動(dòng)二階矩及速度脈動(dòng)各向異性比顆粒聚團(tuán)明顯。顆粒相雷諾應(yīng)力型二階矩與氣相雷諾應(yīng)力型二階矩分布一致,數(shù)值上小于氣相雷諾應(yīng)力型二階矩。同時(shí)比較了不同氣相大渦模擬亞格子模型、不同氣固相間二階作用模型下氣固流動(dòng)特性,分析了顆粒彈性恢復(fù)系數(shù)、氣體表觀速度及顆粒入口質(zhì)量流率對氣固流動(dòng)的影響。隨著氣體速度增加和顆粒循環(huán)流量降低,顆粒軸向二階矩

6、與徑向二階矩的比值呈冪函數(shù)增加,其比值可達(dá)到4-4.5。顆粒濃度徑向分布由“U型”變?yōu)椤暗筓型”,分布出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。獲得了所研究的顆粒直徑和密度為300?m和2500kg/m3時(shí)徑向顆粒濃度分布出現(xiàn)反轉(zhuǎn)、流動(dòng)由“稀相流態(tài)化”變?yōu)椤翱焖倭鲬B(tài)化”的界限氣體表觀速度與界限顆粒循環(huán)流量。
　　應(yīng)用LES-SOM雙流體模型,對流化床內(nèi)煤顆粒的流動(dòng)燃燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬。建立了煤燃燒反應(yīng)模型,比較了氣相亞格子反應(yīng)模型對燃燒過程模擬結(jié)果的影響,模擬得

7、到的出口處各氣體組分含量與Topal等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。模擬結(jié)果給出了煤燃燒過程中煤顆粒與脫硫劑顆粒的濃度、速度、顆粒速度脈動(dòng)二階矩及雷諾應(yīng)力型二階矩分布規(guī)律,并對不同組分速度脈動(dòng)各向異性進(jìn)行了研究。同時(shí)得到了煤熱解、碳燃燒、揮發(fā)分燃燒、NOx氣體排放及脫硫過程中氣體及顆粒各組分分布及溫度場分布特點(diǎn)?？偨Y(jié)了提升管煤燃燒過程中,反應(yīng)速率隨溫度和濃度的變化規(guī)律。亞格子反應(yīng)速率隨溫度升高而增大。隨顆粒濃度的增加,揮發(fā)分均相反應(yīng)速率升高,而碳顆

8、粒燃燒異相反應(yīng)速率逐漸降低。
　　考慮了高顆粒濃度下的摩擦應(yīng)力影響,將LES-SOM雙流體模型應(yīng)用于鼓泡流化床內(nèi)生物質(zhì)木材顆粒的氣化過程。建立了生物質(zhì)氣化反應(yīng)模型,比較了氣相亞格子反應(yīng)模型對氣化過程模擬結(jié)果的影響,模擬得到的出口處各氣體組分含量在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)允許范圍內(nèi)。分析了鼓泡床內(nèi)氣泡的存在對流動(dòng)與反應(yīng)的影響,著重研究了粒徑不同的兩種碳顆粒在反應(yīng)過程中濃度、速度、顆粒速度脈動(dòng)二階矩及雷諾應(yīng)力型二階矩變化特性。同時(shí)分析了焦油熱解、燃?xì)?/p>